浅埋偏压膨胀土隧道大管棚预加固效果分析

曾仲毅　春军伟

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

浅埋偏压膨胀土隧道大管棚预加固效果分析

曾仲毅春军伟

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要针对小河沟膨胀性黄土铁路隧道浅埋偏压段大管棚施工工艺，分析了大管棚的受力状态和对围岩的加固效果。利用快速拉格朗日限差分软件FLAC3D模拟隧道管棚施工，得到各工况下管棚与管棚注浆壳体的受力变形情况和掌子面前方围岩变形位移，将所得结果与无管棚支护时的围岩变形位移比较，分析研究管棚预支护效果。试验分析表明，管棚有效抑制了掌子面前方软弱围岩的塑性流动，增强了围岩稳定性。

关键词大管棚膨胀性黄土偏压隧道数值模拟

浅埋软弱围岩下的隧道开挖，围岩的自稳能力差，开挖扰动易造成掌子面前方围岩的大变形，严重的会导致隧道塌方，因此需要对开挖扰动区域的围岩预加固处理，增强围岩稳定性。管棚法是常用超前支护工法，通过在拟开挖的地下隧道衬砌拱圈隐埋弧线上，预先设置惯性力矩较大的厚壁钢管，并注浆形成管棚注浆帷幕壳体，防止地表下沉和土层坍塌[1-2]，具有良好的预加固效果，在城市地铁、山岭隧道、软土隧道等复杂工程地质环境中被国内外工程界广泛采用[3]。

小河沟隧道是新建太兴铁路的一条双线铁路隧道，穿过膨胀性黄土地层，埋深较浅，围岩软弱松散，设计开挖采用三台阶七步工法结合超前小导管施工，但自进入雨季以来，受雨水渗透影响，围岩抗剪强度减弱，施工中经常发生塌方事故，造成重大损失。为保障安全施工，控制隧道变形，变更设计拟采用大管棚注浆措施，加固掌子面前方围岩，控制围岩变形。本文以小河沟隧道为工程背景，通过数值试验，研究大管棚注浆对浅埋膨胀性黄土隧道围岩预加固作用机理，分析管棚的受力特征，探讨大管棚注浆对隧道围岩稳定性和变形控制的作用效果，为设计施工提供参考。

1数值试验

1.1工程概况与数值模型建立

小河沟隧道位于山西省太原市娄烦县向阳村附近，该地段为黄土地貌，与工程性质相关的土层主要是出露地表的上第三系(N)膨胀性黄土，膨胀潜势等级为中等，土呈红褐色，硬塑，结构致密，呈菱形状，土内分布有裂隙，斜交剪切裂隙较发育，由细腻的胶体颗粒组成，断口光滑，局部夹钙质结核。隧道全长1 803m，最大埋深82m，最小埋深仅5m。里程DK75+190～DK75+210处于隧道偏压浅埋地段，围岩软弱，埋深较浅，最小埋深20m，同时处于汇水区，受雨水影响严重，其稳定性较差，极易发生塌方，因此拟采用台阶法结合管棚注浆预支护技术。

数值模拟该浅埋偏压段的开挖施工，拟采用有限差分软件FLAC3D，图1为建立的小河沟隧道的数值模型图。模型包括52 500个模型节点和48 900个单元，隧道断面形状为直墙拱型，按最不利工况，取隧道毛洞单洞跨度为11.96m，高为11.86m。为减小边界效应的影响，取隧道中心线和隧道底板的交点为原点，模型的左、右及下边界距离取3～5倍的隧道的开挖直径，即左、右边界为60m，下边界为36m，上边界为地表，隧道轴线方向取30m。计算模型的左、右、前、后边界和下边界均为法向约束，上边界为自由边界。围岩土体的本构模型采用经典的Mohr-Coulomb理想弹塑性模型。膨胀性黄土的力学参数见表1。

图1　地质模型图

土层密度/(kg·m-3)弹性模量/MPa泊松比粘聚力/kPa内摩擦角/(°)膨胀性黄土191618.410.352530管棚加固层245039180.2413040

1.2支护结构模拟

在数值模拟中，将管棚钢管作为简支梁处理，采用梁单元进行模拟。因为管棚末端部与孔口管焊接成整体，孔口管固定在钢拱架周边，因此端部可以承受较大的弯矩和具有较大的竖向抗力，可以将端部按固定支座考虑。对于插入土体中的管棚部分，由于注浆，使得钢管与周围岩体结合在一块，因此将梁单元的节点与周围岩体应力单元位移协调，从而限制钢管空间内的平动自由度，但由于钢管本身与周围加固体之间的刚度差异很大，因此将梁单元的3个转动自由度不作约束。其模拟效果见图2，图3。

图2　管棚支护结构图

图3　管棚注浆层

管棚采用直径89mm的无缝钢管，设计在拱部120°范围打设，每环长10m，环向间距0.4m，纵向搭接长度3m，外插角5～10°，注1∶1的水泥浆，为增加管棚的抗弯能力，在钢管内设置钢筋笼，钢筋笼由4根主筋和固定环组成，主筋直径为18mm，固定环采用短管节，节长5cm将其与主筋焊接，按1.5m间距设置，管棚梁结构见图4。

图4　管棚梁结构图

在注浆过程完成后，管棚内充满混凝土浆液，待浆液凝结后，管棚相当于钢管混凝土梁。为了考虑管内混凝土及加筋对管棚力学性质的影响，在数值模拟计算过程中，将管内混凝土的作用采用等效弹模的方法处理，即将管内混凝土的刚度折算给管棚，计算方法见式(1)。

(1)

式中：E为折算后管棚的弹性模量；S为管棚截面积；E0为管棚钢管弹性模量；S0为管棚钢管有效截面积；Sg为混凝土的有效截面积；Eg为混凝土的弹性模量，取1.5×1010Pa；Ss为 钢筋的有效截面积；Es为钢筋的弹性模量，管棚梁等效参数见表2。

表2　管棚梁单元和单位长度壳单元计算参数

注浆完成后，长管棚与注浆加固圈在拱顶形成了稳固可靠的固结壳。在模拟计算中，为了考虑这种壳效应，通过提高管棚与加固围岩形成的厚筒结构的参数来实现，并通过线弹性本构模型单元模拟管棚注浆层。单排注浆管注浆时厚筒的厚度计算方法见式(2)[4]。

(2)

式中：D为注浆厚筒的厚度；R为浆液的扩散半径；S为相邻2注浆孔的间距。经计算得管棚加固区的有效厚度为60cm，数值模拟中采用线弹性本构模型模拟管棚注浆层，其模拟图见图3，其参数选取见表2。

隧道的初期支护采用I22型钢拱架，纵向间距0.5m/榀，喷射C25混凝土30cm。开挖施工工法采用台阶临时仰拱，在中台阶上布置I22b钢架并喷射20cm厚的混凝土作为临时仰拱。数值计算中用壳单元等效模拟由钢拱架和喷射混凝土构成的组合结构[5]，等效刚度计算见式(3)：

EI=E1I1+E2I2

(3)

式中：E为等效后壳单元的弹性模量；E1，E2分别为喷射混凝土和钢拱架的弹性模量；I为等效壳单元惯性矩；I1，I2分别为喷射混凝土层和钢拱架横截面惯性矩；等效后壳单元的计算参数见表2，初期支护壳单元模型见图2。

1.3施工步骤模拟

数值模拟开挖严格按照隧道施工工法，计算地应力平衡后，首先添加大管棚梁单元和管棚注浆加固壳体，然后开挖上台阶，紧接着对上台阶围岩添加初期支护壳单元，并在台阶上添加临时仰拱的壳单元，计算稳定后开挖下台阶并添加支护，最终计算至平衡。开挖后位移云图见图5。

图5　开挖后位移云图

2试验数据分析

为研究大管棚对掌子面前方加固效果，在隧道拱顶轴线方向上每隔1m布置一个监测点，监测开挖过程中沉降值变化，点布置见图6，各点沉降位移与未添加管棚注浆支护的开挖工法相比较，所得结果见图7。

图6　 隧道拱顶纵向监测点

图7　沉降位移图

由图7可见，管棚和管棚加固的区域的最大位移和最大应力并不是发生在掌子面上，而是发生在掌子面前方未开挖阶段，距掌子面4～5m的范围内，围岩的变形达到最大值，未加管棚时位移达到了55cm，围岩基本上已经进入塑性破坏状态。而管棚注浆超前支护后，其掌子面前方的围岩最大沉降位移控制在8cm以内，并且在偏压状态下，这种最大变形和位移发生在受偏压力的右拱腰上，这充分证明了管棚对掌子面前方土体预支护作用，保证了掌子面前方土体的稳定性。

管棚梁单元弯矩与形变见图8，管棚注浆壳体单元竖向应力云图见图9。

图8　管棚梁单元弯矩与形变图

图9　管棚注浆壳体单元竖向应力云图

由图8～9可见，管棚和管棚加固区域的最大弯矩和最大应力并不是发生在掌子面上，而是发生在掌子面前方未开挖阶段，距掌子面4～5m的范围内，与前述监测位移曲线变化相符合。

3结论

(1) 大管棚注浆法使钢管与围岩通过浆液充填缝隙而形成一体，从而限制了管棚与围岩的相对运动，同时形成强度较高的管棚注浆层壳体。

(2) 由数值模拟结果中管棚的变形可知，管棚在掌子面前就有了一定的变形，这也说明管棚可以承担掌子面前方的荷载，减小地层工前沉降，同时起到阻隔沉降和均匀地层沉降的作用，控制掌子面前方土体的位移，防止前方土体的塌方涌入。

(3) 管棚承担了围岩一部分纵向荷载，减少了拱顶初期支护围岩受力，增强了隧道的安全系数。

参考文献

[1]伍振志,傅志锋,王静,等.浅埋松软地层开挖中管棚注浆法的加固机理及效果分析[J].岩石力学与工程学报,2005(6):1025-1029.

[2]张川,杨春满,左永江.松软地层水平管棚工艺参数的研究[J].煤炭学报,2000(6):607-609.

[3]PEILAD.Atheoreticalstudyofreinforcementinfluenceonthestabilityofatunnelface[J].GeotechnicalandGeologicalEngineering,1994,12(3):145-168.

[4]孙士成,杨钊,姜安龙.小相寨隧道进口段管棚支护参数优化分析[J].南昌航空大学学报:自然科学版,2009(1):79-83.

[5]徐帮树,杨为民,王者超,等.公路隧道型钢喷射混凝土初期支护安全评价研究[J].岩土力学,2012(1):248-254.

TheAnalysisofLargePipeRoofSupport

ReinforcementinShallowSwellingLosessTunnel

Zeng Zhongyi, Chun Junwei

(GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCo.,Ltd.,Guiyang550081,China)

Abstract：XiaohegoutunnelisanunderconstructionshallowswellingloesstunnelwithLargePipeRoofSupport.LargePipeRoofSupportconstructionandexcavationofthetunnelweresimulatedbytheFastLagrangianfinitedifferencesoftwareFLAC3D.Thepiperoofloadingstatesandthedeformationofsurroundingrockinfrontofthetunnelfacewereobtainedineachstepofexcavation,andtheresultswerecomparedwithasimulationwithoutLargePipeRoofSupport.TheresultsshowthatthereinforcementeffectofPipeRoofwastorestraintheplasticflowofsoftsoil.

Keywords:largepiperoofsupport;swellingloess;unsymmetricallyloadedtunnel;numericalsimulation

收稿日期：2014-10-28

InfluenceontheStabilityofHydropowerStationDiversion
TunnelSurroundingRockbyInterlayerShearZone

Tian Jiao, Zhu Jinbo

(GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCo.,Ltd.,Guiyang550081,China)

Abstract：Based on field investigation, the characteristics of a hydropower station interlayer shear zone is analyzed and its influence on the stability of the diversion tunnel is summarized. By numerical calculation, the influence of interlayer shear zone on the left bank pilot tunnel and the diversion tunnel are analyzed, as well as the stability of the right bank block. This study provides the basis for determining the appropriate supporting scheme of the diversion tunnel of hydropower stations.

Key words:interlayer shear zone; diversion tunnel; the stability of surrounding rock

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.038